Real-Time in Industriëel Ethernet

“De toekomst start met de kennis van vandaag”

Geert BrackeAccount Manager BeLux

Hirschmann Automation & Control

Infosessie okt. 2006

(Petro)chemie Infratechniek

Ethernet in industriële omgeving

• (Pharmaceutische) Chemie• Olie- en gas raffinaderijen• IJzer- en staalproduktie

• Verkeerautomatisering, • Tunnel- en brug bewaking• Rail- en waterwegbewaking• Openbaar vervoer infosystemen

• Ruwwater transport • Drinkwater • Afval water

Water

Voedingsmiddelen

• (Medisch)voedsel productie en verpakking• Frisdrank & Bierbrouwerijen• Zuivelindustrie

AutomotiveMachine control

• Koppeling van samen- gestelde machines• HM interface

• Lasrobots• Productiestraat automatisering• Component traceerbaarheid

MES

Controle Laag

ERP

Veld

SupervisieINFORMATIE

Industrial Ethernet

Industrial Ethernet

Veldbus Veldbus Veldbus

Fabrieksnetwerk

Controle Netwerk

DATA

EthernetKantoor Netwerk

x iR-VIP T

P OW E R

D A

L S

C OM

OU T

I N

E t h e rn e t

V I D E O

OU T - A U D I O - IN

OU T - A l a r m - I N

V I D E O I N

T r a n s p a r e n tD a ta

F A U L T+ 2 4 V + 2 4 V *

LTC 0xxxPHILIPS

Apparaatnetwork

wordt vaker Ethernet

Industriëel Ethernet in het bedrijf

VPNVPN

Wat maakt switches industrieel?

Grote diversiteit in aantal en poorttypes binnen 1 apparaat, of modulaire opbouw leidt (binnenkort) tot >1000 modelvarianten

USB-stick aansluiting voor config.file back-up

M12-D als RJ45 niet meer voldoetEN

501

21-4

-40 ➙ +70°C

ApprovalsKapersky

Anti Virus

Firewall / VPN server / Virus scanner voor beveiligde koppelingen

G L

Industriële Ethernet (IE) structuren

Netwerk management - SNMP

Netwerkstatus in SCADA-OPC procescontrol display

Netwerkstatus in stand- alone Windows of Linux programma

Con

trol

Dev

ice

Inte

rbus

Lo

op

ASI

Inte

rbus

Serip

lex

Prof

ibus

DP Pr

ofib

us

FMS

CAN

CC

Link

Con

trolN

et

Dev

iceN

et

SDS W

orld

FIP

/ FIP

LonW

orks Pr

ofib

us P

A

IEC

/SP5

0 H

1IEC

/SP

50H

2H

ART

I/O-le

vel

Ente

rpris

e-le

vel

Ethe

rnet

ETH

ERN

ET

Con

trol

-leve

l

Industrieel ethernet vs. veldbussen

Real-time en Industriëel Ethernet

Is Ethernet Real-time geschikt ? Een definitie :Als de eisen qua timing voor een applicatie gehaald worden dan kan het sturing, voor deze toepassing, real-time genoemd worden.

Voor real-time gedrag is het noodzakelijk dat een systeem (sturing) een duidelijk gedefinieerde, onder alle omstandigheden gegarandeerd, gedrag in de tijd vertoont. (Determinisme)

Good Old Ethernet

• CSMA-CD volgens IEEE802.3 is per definitie “niet” deterministisch

• Half Duplex hub technologie• Full Duplex switch technologie• Lijn-, Ster-, Ring- en vermaasde topologien

Eisen opdat Ethernet vr. Real-time kan ingezet worden :1. Segmentering

2. Kloksynchronisatie

3. Tijdsleuf gedrag

4 criteria voor Real-time gedrag:1. Cyclustijd (Reactietijd, Looptijd) => Gedefiniëerde timing bovengrens, die in geen geval overschreden mag worden

2. Jitter => timing onzekerheid, afwijking van de standaard

3. Synchronisatie => Behoud van relatief tijdsverband ts. acties

4. Troughput => Over te dragen datahoeveelheid binnen een tijdsinterval

De beste, hoogste RT performanties worden geëist door applicaties in „Motion Control“

Real-time toepassingen met Ethernet

Gecontroleerde data stroom

=> Gedefinieerde overgang

Netsegment met Real Time eis

1ste stap = segmentering (clustering)

Creëer logische groepen van gebruikers achter een switch en houd zicht op de verbinding naar de backbone

Segmentering

Tijd synchronisatie

Netsegment met Real Time eis

2de stap = Tijdsynchronisatie

Preciese gesynchroniseerde klokken in iedere deelnemer

ontkoppelen de processturing van de bus looptijd

=> Precision Time Protocol IEEE1588 (IEC 61588)

Master klok

Slave klok

Slave klok

Slave klok

Classificatie van Real-Time Protocollen

• 5 actuele protocollen ingedeeld naar Hardware en Software aanpassingen

• Alle 5 profiteren deze protocollenvan de voordelen en ontwikkelingen vanuit de kantoor automatisering

• Ethernet /IP en EPL zijn hardware onafhankelijk en dus geschikt voor migratie naar Gigabit Ethernet

Ethernet / IP

Eth. Power Link

Profinet IRT (v3)Sercos-IIIEtherCAT

Hardware

Softw

are

(OSI

laag

3 &

4)

Proprietair Standaardconform Pr

oprie

tair

Stan

daar

dcon

form

Tijdslot mechanisme

Cycle

Slot 1

Slot 2

Slot 3

Slot 4

Slot 5

Slot n

as. Slot

1 2 3 4 5 n async

Cycle i+1

1 2 3 4 5 n a 1 2 3 4 5 n a 1 2 3 4 5

Cycle i

Deterministisch Ethernet-gedrag volgens tijdsleuf (time-cycle) toegangOp deze wijze werken :

PowerLink Profinet IRT (v3)Sercos-III

Ethernet PowerLink (EPSG)

• Cyclus gebaseerd Real Time systeem met Tijd slots, geintegreerd in het CSMA-CD model• Master polt de slaves• Standaard Ethernet frames met type aanduiding „PowerLink“ of „IP“• Cyclustijd = „n“ slots voor synchrone data + resterende tijd voor asynchrone data• Segmentering d.m.v. PowerLink Bridge

EthernetCSMA/CD

Powerlink EthernetCSMA/CD

IP

TCP UDP

IP

TCP UDP

Applicationacycl. Data

Powerlink Node Powerlink Bridge TCP/IP Host

Applicationcycl. Data acycl. Data

EthernetCSMA/CD

PowerlinkEthernet

CSMA/CD

Bridging

EthernetCSMA/CD

Powerlink

IP

TCP UDP

Applicationcycl. Data acycl. Data

Powerlink NodePowerlink Segment

Profinet-IRT (PNO)

• Cyclus gebaseerd hardware Real-Time systeem, met Tijdslots• Koppeling via speciale Chip (ASIC) in netwerk apparatuur en speciale switches in field devices• Master polt de slaves• Cyclustijd = „n“ slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data

PROFInet v3 IRT

Sercos III (IGS)

• Maakt gebruik van de fysieke Ethernet apparatuur en Sercos mechanisme• Hardware gebaseerde synchronisatie en ring topologie

• Sercos III werkt zonder hubs of switches • Doorlus systeem met speciale chip in alle apparaten• Cyclustijd = „n“ slots voor isochrone data + resterende tijd voor asynchrone data• Segmentering d.m.v. Real-Time Bridge

EtherCAT (ETG)

• Gebruikt de frame structuur van Ethernet met hardware protocol processing • Frames gaan niet naar alle slaves, maar frames gaan van slave tot slave• Speciale Chip converteert het Ethernet signaal in een zgn. E-bus• Real Time data gaat in EtherCAT frames, IP-data wordt getunneld in EtherCAT frames• Tunneling vindt plaats in virtuele Ethernet Switches

Frame structuur

Framestructuur van de tijdslot systemen :

SourceMAC

Destin.MAC

Ethertype= Realtime

Realtime-Data TN x FCS

SourceMAC

Destin.MAC

Ethertype= IP

IP-Header FCSIP-Data(TCP-Header, TCP-Data)

EtherCAT SourceMAC

Destin.MAC

Ethertype= EtherCAT

HDRTN 1

FCSDataTN 1

HDRTN 2

DataTN 2

....

Realtime- &algemeen

Verkeer

EPLProfinet IRTSercos-III

isochroon

Verkeer

asynchroonVerkeer

Ethernet-TCP/IP Telegram

Ethernet-Header

getunneldEthernet-TCP/IP Telegram

Ethernet/IP (ODVA)

• Volledig gebaseerd op de Ethernet standaard• Niet cyclus gebaseerd maar tijdgebaseerd.• Real-Time door 3 standaard mechanismen : UDP, Prioriteit-QoS en IEEE1588• Master zendt stuurcommando‘s met exacte uitvoeringstijd

ControlNet Phys. layer

DeviceNet Phys. layer

EtherNet Physical layer

ControlNet CTDMA

DeviceNet Phys. layer

EtherNet CSMA/CD

ControlNet Transport

DeviceNet Transport

IP

TCP UDP

Encapsulation CPF

CIP message routing, connection management

CIP data management services Explicit messages, I/O messages

CIP application layer Application object library

Semi- conductors

Pneumatic valves AC drivers Position

controls Other device

profiles

Possible future

alternatives: other

networks

FTPSNMPHTTPSMTP

CIP

100 Mbit/s < 0.1 µs ≈ 0.1 msETGEtherCAT

100 Mbit/s < 0.1 µs < 0.5 msIGSSercos-III

100 Mbit/s < 1 µs < 1 msPNOProfinet v.3

100 Mbit/s < 1 µs < 1 msEPSGEthernet Powerlink

100 Mbit/s < 1 µs ≈ 1 msODVAEthernet/IP CIPSync

Data rate Jittercyclustijd (voor 100 assen)

Organisatie

Vergelijking van Real-Time protocollen

Wat is Real Time…

- Het is geen absoluut gegeven, maar afhankelijk van de applicatie

- 2 prestatieparameters : cyclustijd en jitter

Conclusie: hoe meer proprietair, hoe sneller !?

Vergelijking met veldbussen

174 packets/ms72 bytes100 Mbit/sEthernet

142 packets/ms14 bytes16 Mbit/sSercos-II

79 packets/ms19 bytes12 Mbit/sProfibus DP

Theoretische packet overdrachtPacket size (met 8 bytes user data)Transfer rate

Ethernet is even snel/sneller dan de traditionele veldbussen vanwege hoge kloksnelheid (100 Mb/s)

Er is 1 technologie te beheersen

Er is 1 soort infrastructuur nodig (Ethernet)

Gebruik van Web based HMI’s

Verticale integratie van real-time netwewrksegment zonder protocol omzetters (gateways)

Test opstelling

Master Clock Boundary Clock Slave Clock

PPS Out PPS Out

Full Network Traffic up to 90% @ 100MBit/s

PTP IEEE 1588 - Implementatie

Gemeten kloktijd synchroniteit (Master Clock -> Switch (Boundary Clock) -> Switch (Slave Clock)

±120ns (gemeten over 84h)

GPS ref. clock

Synchronisatie Snelheid

- Tijdsduur totdat 2 klokken gelijk lopen (hersync. elke 2 sec.)T r a n s i e n t O s c i l l a t i o n

- 2 0 0 0 0

- 1 5 0 0 0

- 1 0 0 0 0

- 5 0 0 0

0

5 0 0 0

1 0 0 0 0

1 5 0 0 0

2 0 0 0 0

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0

t i m e [ s ]

Offset [ns] O f f s e t

P I - O u tD r i f t

Drift / rate [ns/s]

PTP IEEE 1588 - Implementatie

ApplikationsbeispielFerromatik Milacron

100% Electrische spuitgiet machine Goedkoper dan hydraulische machines Sturing over ETHERNET Powerlink

Kracht, snelheid en positionering Transparantheid van data voor kwaliteitssysteem

„ETHERNET Powerlink ist das ideale Vehikelfür Spritzgießmaschinen. Man kann Alles mit nureinem Netzwerk verbinden.“

Dr. Kalis, Leiter Entwicklung/Konstruktion

Voorbeeld (1)

Bystronic

Automobiel-Glasbewerking(snijden, slijpen, boren) Snijden = kerven & Breken 150m/min kerf snelheid 5/100mm nauwkeurigheid

X-Y-tafel met tangentiale snijdraden 15 Assen en meer 800µs cyclustijd

„ETHERNET Powerlink soll der Feldbus der Zukunft werden.“Ing. Deprato, Development Engineer Controls

Voorbeeld (2)

KMK Maschinen AG

Tube vulmachine Korte omsteltijden (<10min) 120 Tubes/minuut

Eisen Eenvoudige bekabeling Dynamisch Flexible visualisiering Bewaking over internet

Implementatie ETHERNET Powerlink 800µs cyclustijd 15 aandrijvingen verspreide I/Os

Voorbeeld (3)

Conclusie

Om Ethernet Real-Time te maken is geen een afwijking van de standaard nodig. Het hangt van de applicatie af.

De cyclustijd wordt bij veel processen elders bepaald dan in het netwerk

Ethernet Standaard mechanismes die vandaag de dag beschikbaar zijn:• Geswitched Full Duplex netwerk• Fast Ethernet of Gigabit Ethernet• Transport protocol in UDP in plaats van TCP• Quality of Service ( prioritisatie)• Netwerk segmentatie (VLAN)• Tijd synchronisatie via IEEE1588 (PTP)

Ethernet is een open standaard, dus geen strikte fabrikant afhankelijkheid

Haal voordeel uit de snelheid van ontwikkelingen op IT gebied die in de markt plaatsvinden (oa. Gigabit techniek in industriële netwerken!)

Vragen?

Dank voor uw aandacht